Робот помогает понять, как мозг удерживает тело в вертикальном положении
Исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) создали уникальную роботизированную платформу, которая помогает понять, как мозг удерживает тело в вертикальном положении. Этот экспериментальный «обмен телами» моделирует замедление сенсорной обратной связи и демонстрирует, почему с возрастом люди чаще теряют равновесие и падают. Результаты опубликованы в журнале Science Robotics.
Как мозг поддерживает равновесие
На первый взгляд стоять прямо кажется простым, но мозг постоянно обрабатывает информацию от глаз, внутреннего уха и датчиков давления в ногах. Эти сигналы позволяют предугадывать движения и корректировать позу. Однако при старении или неврологических заболеваниях, например, рассеянный склероз или диабетическая невропатия, обработка сигналов замедляется.
«Не существует простого способа ускорить эти реакции. Но мы обнаружили, что небольшие механические импульсы могут облегчить мозгу удержание равновесия», — отметил доктор Жан-Себастьян Блуэн, профессор Школы кинезиологии UBC
Робот, который меняет законы физики
Платформа позволяет моделировать и корректировать силы, с которыми сталкивается тело в вертикальном положении: инерцию, сопротивление движения и гравитацию. Участники стоят на моторизованной спинке с силовыми платформами. Увеличение инерции создает ощущение тяжести, повышенная вязкость замедляет движения, а отрицательная вязкость ускоряет наклон, как будто тело толкают. Дополнительно робот может вводить задержку около 200 миллисекунд между движением человека и реакцией платформы, имитируя замедленную нейронную обратную связь.
Хотя в научной публикации устройство называют роботом, на самом деле это роботизированная балансировочная платформа — моторизованная система с датчиками, которая имитирует реакции тела и задержки сигналов, позволяя изучать, как мозг удерживает вертикальное положение.
«С этой системой можно переписать правила работы тела. В одно мгновение вы начинаете ощущать физику по-другому, словно находитесь в чужом теле», — отметил доктор Блуэн.
Три эксперимента и важные открытия
В первом эксперименте задержка сигналов вызвала значительное колебание и нестабильность. Во втором изменения инерции и вязкости создавали похожие ощущения. Участники отмечали, что оба сценария воспринимаются практически одинаково. В третьем эксперименте ученые комбинировали задержку обратной связи с увеличенной инерцией и вязкостью. Большинство участников быстро восстановили устойчивость, а амплитуда колебаний снизилась на 80%.
«Мы были удивлены, что механическая коррекция может частично компенсировать запоздалые сигналы», — сказал ведущий автор Пол Белзнер.
Применение для здоровья и технологий
Падения у пожилых людей остаются серьезной проблемой по всему миру. Результаты исследования открывают путь к разработке носимых устройств, которые будут помогать сохранять равновесие, а также роботизированных систем для тренировки пациентов с нарушениями координации.
По словам исследователей, эксперимент также важен для робототехники: понимание, как человеческий мозг компенсирует замедленные сигналы, поможет создавать гуманоидных роботов с более устойчивым балансом и способностью адаптироваться к непредсказуемым условиям.
Ученые планируют использовать робота для изучения различных типов задержек обратной связи и влияния на баланс при различных физических и сенсорных ограничениях. Это даст возможность создавать индивидуальные стратегии помощи пожилым людям и моделировать сложные сценарии для роботов. Исследование подтверждает, что даже небольшие замедления сенсорной информации могут значительно повлиять на равновесие. Однако комбинация механических корректировок и тренировок позволяет компенсировать эти эффекты.
